(1)研發本土化三維氣象、海象及地象之海洋工程實用模式(3D-AtOM)
以 Hsu et al.(2015) 所研發之高階風浪數值模式為基礎，導入近岸流、潮流與洋流、漂砂以及地形變遷之完整三維氣象、海象及地象之海洋工程實用模式(3D-AtOM)。3D-AtOM主要功能在於使用一條鞭方式整合三維海象、氣象與地象耦合模式，使模式計算精度與效率提高，符合極端氣候下工程之規劃設計條件。海岸災防與淺水海域能源開發近岸流(near-shore current)的解析非常重要，其流動系統將影響漂移特性與海域地形變遷以及基礎淘刷。本研究團隊以Hsu et al.(2015)所研發的WWMII模式為基礎，將模式所推算的波高轉為輻射應力(radiation stress)並導入海流模式中，解析近岸流、潮流與洋流。再以流場輸入漂沙模式求解地形變遷與基礎淘刷深度。在風浪與特殊地形(如海床沙波)交互作用方面，加入地形水深之擾變量，在WWMII模式增加波浪與沙波交互作用之源項(source terms)，據此求出沙波對風浪之共振效應。
大氣風場以WRF模式計算風場，再以內插方法轉為有限元素法FEM網格，使三者計算範圍的數值計算方法相同且解析度相近，達到3D-AtOM耦合之功能。另外，大氣模式與風浪模式兩者解析度差50倍，為滿足風浪模式解析度要求，大氣模式需使用網格加密或降尺度方法。本中心研究團隊在風浪模擬範圍或移動颱風半徑範圍加入調適網格(adaptive grid)、加密風場解析度。另外，大氣模式使用多層(multi-layer)進行計算，從外層大尺度計算到內層小尺度，使最小層風場解析度滿足風浪模式之需求。本中心使用兩套模式，評估兩者之精度與效率，以符合海洋模式尺度之需求。
此外，AtOM 風浪模式與集水區河川水文模式整合為「河海模式」。可成功進行台灣全島沿海地區海岸溢淹模擬研究，考量氣候變遷影響下，分析不同頻率年與越波量與暴潮影響海岸溢淹的範圍。
(2)三維模式計算精度與效率之提升
在三維大氣、海洋及地形變遷耦合數值模式中，因為空間尺度甚大，所以不論使用何種離散技巧，必須要使用到大量的格點，而在格點上的物理變量，又可能會是多自由度。然當格點數目達到很大(如百萬點)，許多數值方法都會產生計算問題。本中心先使用平行計算法處理維度過大問題。另外，在大維度線性代數問題的解題方法中，如何可以在有限電腦精度內，降低各種累進誤差、截尾誤差，並且可以簡單平行化處理。本中心同時使用動力學演化法(dynamic evolution method)平行化功能。動力學演化法沒有求反矩陣，也沒有求矩陣分解。透過殘差驅動未知量演化，可以得到答案。這種演化法，可以針對良性矩陣，也可以針對劣性矩陣，比較有彈性。動力學演化法很容易向量化，有利於平行處理。本校計算與模擬中心在動力學演化法上，已經有許多論文發表，所以運用並不成問題。然而，動力學演化法如何可以更提高演算效率，為本中心研發之重點。
(3)衛星、雷達與光達監測分析；海氣交互作用機制探討
過去在海氣耦合模式中，波浪對海洋與大氣的邊界之作用過程，經常以經驗公式的方法處理，影響了模式準確性，因為真實的海氣交互作用至今仍不清楚。近幾年，已有海洋模式將已知的波浪作用納入考量，讓全球氣候模擬更為逼真(Qiao et al., 2010)。因此，在全球暖化極端天氣下，準確推估海面物理量，故急需探討海氣交互作用議題。
環繞我國四周沿海的岸基海洋雷達(CODAR, Coastal Ocean Dynamics Applications Radar)系統，可提供大範圍(離岸150公里)、長時間和全天候(包括颱風天)的海洋觀測平台。CODAR系統中的波浪資訊，可結合衛星雷達(不受雲層影響但誤差較高)與衛星光達(量測較準但受雲層影響)更大範圍的觀測，用以探討在惡劣天候下海氣交互作用的新物理機制，以便改進理論經驗公式之不足。另外，這些觀測資料也會詳加分析以提供3D-AtOM精確的邊界條件，考量如何精、進提升三維模式計算精度與效率。
(4)3D-AtOM及三維波浪模式應用於海洋能源(離岸風電、波浪、潮流)之規劃及極端與異常海況(暴潮、颱風波浪、瘋狗浪)之分析、模擬與預測
黑潮流經臺灣東部海域。黑潮流量達65,000,000立方公尺每秒，蘊藏豐富的海洋能源。近年台灣政府與民間企業積極投入黑潮發電之評估與研究，而黑潮發電機組佈放位置之評估應考慮黑潮流速與流向、水深、擺動尾流、季風與颱風、漁業限制區域、離岸距離、機組維修方便等因素。由於黑潮流經綠島會於島後形成擺動尾流，對發電機組之穩定、安全及發電效益不利。因此，應將發電機組應佈放在尾流擺動範圍之外。此外，台灣有季風、以及每年約有 3-5 次之颱風經過。颱風經過期間，發電機組應佈放在水面下 50 公尺下，以確保發電機組安全。因此，季風與颱風對綠島島嶼周遭流況之影響與發電機組之安全亦應以定量評估。本中心研究團隊2002-2017曾利用出海現場與岸上雷達觀測、以及二維有限元素淺水模式與三維有限差分POM模式，探討島附近之水深、流場、地形、漁業活動、商船航線等，希望得到最佳之黑潮發電機組佈放適合之位置。考慮到台灣東部與綠島附近海域地形複雜、陡坡、不規則海岸，本計畫改善二維淺水模式，以3D AtOM 模擬三維綠島尾流，模擬結果與 POM (Princeton Ocean Model)相近，但數值方法不同。
本中心研發之3D-AtOM模式可應用在極端與異常海況之分析、模擬與預測(報)。以颱風暴潮模擬為例，以大氣模式提供壓力與風場之驅動力計算暴潮水位。暴潮位於部分研究區域受潮汐、波浪效應顯著的影響(Sheng et al., 2010)。本中心所研發的3D-AtOM耦合模式，一方面納入大氣模式，另一方面考量潮流與波浪之效應。在暴潮模擬應用上可提供更精確的模擬結果。
又以近年頻傳的瘋狗浪事件為例。近岸海域之瘋狗浪受複雜的天氣系統、遠域波場、洋流系統、近岸不規則地形等因素影響。文獻指出異常波浪於任何水深條件皆可能產生，研究各種條件下之異常波浪有賴一套完整的模擬工具。本中心楊智傑教授與美國威斯康辛大學Prof. C. H. Wu合作，致力於發展非靜水壓模式，並發表於頂尖國際期刊(Young et al., 2007；Young et al., 2009)。該模式可描述不同頻譜寬度波浪於各種水深及振幅條件下的傳遞、非線性波浪交互作用下之調變、波流交互作用及地形引起的淺化及折/繞射，甚至包含複雜的旋流現象。未來，第一年至第二年之目標為改善模式精度與計算效率；第三至第五年擬結合觀測資料、3D-AtOM及非靜壓模式分析重點海域瘋狗浪的潛勢。